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热力学

熵 是什么

状态量 dS = dQrev/T。宇宙满足 ΔStotal ≥ 0(时间之箭),仅可逆时取等;统计上 S = k ln Ω

卡诺留下的等式 QHTH = QCTC 说明,可逆循环走完一圈会有一个隐藏的量回到原处。这个量是熵,写成 dS = dQrev/T,就整个宇宙来看这个量不减少。所以时间只朝一边流。

给温度为 T 的物体加热 Q,熵就升高 QT。同样的热,温度越低增加越大,因为冷而安静的系统比已经很热的系统摇得厉害得多,所以低温买到更多无序。这个权重按 1/T 来加,这就是熵和温度分不开的理由。

可逆循环走一圈,气体得到 +QHTH,失去 -QCTC,两边正好抵消。回到同一个值,意思是熵是状态量,挂在状态上,不挂在路径上。就算实际过程回不去,也可以沿一条方便的可逆路径来数变化,工程师一直用这个办法。

热 Q 从热的一侧流到冷的一侧时,热的一侧失去 QTH,冷的一侧得到 QTC,冷侧温度更低,所以和是正的。两个温度越靠近,一份热造成的增加越接近 0,几乎没有温差的流动就越接近可逆。高效换热器把两侧温度尽量贴在一起,道理就在这里,温差再怎么缩小,增加也留在 0 之上。

从统计来看,熵数的是构成一个状态的方式有多少。S = k ln Ω,能到达更多格子的气体,微观状态更多,熵也更大。玻尔兹曼的计数和热力学的 dQrev/T 咬合,两个定义合成一个,系统漂向微观状态最多的排布,只因为待在那里的方式多得压倒一切。

要带走的是三件事。熵是状态量 (dS = dQrev/T),宇宙的熵不减少 (ΔStotal ≥ 0),等号只在回得去的变化里成立。接下来的一章把这三件事用到真实循环上。回不去的步骤产生的熵表现为丢掉的功,所以减少这份产生,就是从机器里多抽出有用功的办法。

实际应用熵的定义是写成 dS = dQrev/T 的状态量。可逆循环转一圈,和为 0,所以它靠状态而不靠路径,等温时则简化成 ΔS = QT。另一张脸是 S = k ln Ω,能到达的微观状态越多就越大。孤立的宇宙里 ΔStotal ≥ 0,等号只在回得去的时候成立,而热→冷的移动或自由膨胀这类真实过程是 ΔS > 0,回不去,这就是时间之箭。接下来的一章把第1定律和第2定律连同熵一起用到朗肯、奥托、狄塞尔、制冷这类真实循环上。
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